大型游乐设施虚拟仿真分析方法初探

摘 要：虽然我国大型游乐设施的设计与生产制造水平一直处于稳步提高状态，但是与先进国家相比仍然有较大差距，而且由于设计缺陷等原因，我国的大型游乐设施存在较多安全问题。因此，研究大型游乐设施的分析方法，进而保证和提高其安全性能具有一定的现实意义。本文简要介绍了我国大型游乐设施的概况，重点阐述了当前虚拟仿真分析技术的相关内容，详细讨论了旋转秋千基于ADAMS的虚拟仿真分析方法并且提出了几个改善和提高旋转秋千安全性能的建议。

关键词：游乐设施；概况；虚拟仿真；方法；建议

0 引言

近二三十年来，我国经济建设取得的成就比较突出，人民的物质生活水平提升幅度亦较大。与此同时，人们对大型游乐设施的需求更加迫切，对其质量的要求越来越高。因此，运用先进的虚拟仿真方法进行大型游乐设施的设计与分析工作，保证大型游乐设施设计的科学性与合理性，进而保证和提高其安全性能是十分必要的。

1 我国大型游乐设施概况

我国的大型游乐设施的设计与生产制造起步较晚，从上个世纪80年代至目前经历了从无到有，从少到多的过程。大型游乐设施包括翻滚过山车、旋转秋千、高空观览车和旋转木马等。本文以旋转秋千为例进行大型游乐设施的虚拟仿真分析[1]。

现阶段来看，我国的大型游乐设施存在较多安全隐患，主要包括安全防护设施不足、机构的安装与联接不合格、动力装置磨损与锈蚀、电气控制部分安全系数低等方面。其原因一方面是相关的游乐设施维护人员安全意识较低，另一方面是游乐设施本身设计和生产制造存在缺陷。

2 虚拟仿真分析方法概述

其可以对各种机器与系统进行虚拟仿真分析，可以对设定工况下系统不同机构的运动学和动力学参数进行模拟再现。由于其能直观地观察不同工作状态下机械系统各部分的速度、加速度和受力情况，因此，可以直接根据虚拟仿真结果进行机器的性能分析和优化设计等工作。

（2）虚拟仿真分析软件简介。可以使用虚拟仿真分析软件对现有机器进行静力学分析、运动学分析和动力学分析，亦可以进行新机器的开发与设计工作。运用软件分析可以极大地简化机械设计的过程，缩短研发周期，节省研发经费，并且能有效保证产品设计的质量。

工程领域中常用的虚拟分析软件有ADAMS、SIMPACK和DADS等，其中使用最广泛的虚拟仿真分析软件是ADAMS。ADAMS在汽车领域应用最为广泛，其功能完善，具有用户自定义子程序的功能，但是其在接触问题领域与大型系统求解方面功能相对欠缺。

ADAMS中最基本的模块是ADAMS / View模块和ADAMS / Solver模块，一般情况下，依靠这两个模块可以较好地完成大部分与虚拟仿真分析相关的研究，解决大部分与虚拟仿真分析相关的问题。运用ADAMS进行虚拟仿真分析的基本过程是建模（或者导入模型）、模型准确性验证（包括验证模型的准确程度和设置各种参数）和模型修改完善。

3 旋转秋千基于ADAMS的虚拟仿真分析方法

（1）旋转秋千的模型建立。建模是虚拟仿真分析的第一步，一般情况下，为了便于分析需要对模型进行适当的简化。另外，由于本文中的旋转秋千模型稍复杂，在ADAMS中直接建模费时费力，所以使用三维建模软件Pre/E建模后，通过他们之间的无缝接口导入到ADAMS中[3]。 虽然在建模过程中对各个运动副的模型都进行了相应的简化，但是零件之间的运动副关系必须准确保留。在旋转秋千建模过程中，对与虚拟仿真分析关系不大的零部件全部进行了去除简化。

（2）基于ADAMS的虚拟仿真分析。由于篇幅所限，本文仅选择旋转秋千的单个座椅，对其进行速度与加速度的分析，探讨旋转秋千的虚拟仿真分析方法。

如下图所示为旋转秋千单个座椅的加速度曲线图。由曲线图可以看出其存在几个加速度突变点，因而可以使游客较好的体验到游乐乐趣，且其最大加速度约为65m/s2，符合相关安全标准。

4 改善旋转秋千安全性能的建议

对旋转秋千的顶盘进行优化设计可以改善其安全性能，并且利于节约制造材料，降低其成本。由于旋转秋千的输入转速是其动力来源，因此其对旋转秋千的各项性能影响最大，结合相关参数，设置最合理的转速，有利于改善其安全性能。

通过后续的虚拟仿真力学分析可知，偏载是导致旋转秋千发生故障的重要原因，因此相关工作人员必须严格监督，合理安排游客的座次，防止发生偏载现象，以提高旋转秋千运行时的安全性。

5 结束语

虚拟仿真技术的分析方法功能比较强大，其可以免去制造实际样机进行相关试验的程序，节省设计分析的时间，提高设计分析的准确性。

使用ADAMS虚拟分析软件旋转秋千的各个部分进行相应的静力学、运动学和动力学分析，可以十分清晰地掌握旋转秋千整体的设计情况，为其进一步的优化设计或改造提供有价值的资料。